Биоразлагаемое вещество на основе возобновляемого сырья

Биоразлагаемое вещество на основе возобновляемого сырья

Реферат

Изобретение относится к биоразлагаемой композиции для создания материалов и изделий, способных подвергаться биоразложению, в частности упаковочных пленок.

Известно, что полиэтилен производится из не возобновляемого сырья. Использование нефтепродуктов для производства полиэтилена уже сегодня создает ряд проблем для отечественных потребителей. Производство не справляется с растущим на 3-8% в год спросом. Это ведет к удорожанию материала, увеличению привлекаемых к производству ресурсов с одновременным скачком экологической угрозы.

Экономия сырья и его природная составляющая способны решить целый спектр проблем, среди которых главными становятся истощение ресурсов и экологический кризис. Использование биоразлагемых упаковок изменит в лучшую сторону экологию, уменьшит государственные и частные траты на сборы мусора в труднодоступных местах. При этом по своим эксплуатационным характеристикам продукт не уступает полиэтилену.

В настоящее время известно множество биоразлагаемых композиций и пленочных материалов из них. Как правило, речь идет о оксобиоразлагаемых материалах, т.е. о биоразлагаемых добавках в полиэтилен или его производные. При этом полиэтилен как производную нефтяных/газовых ресурсов следует отнести к не возобновляемым продуктам.

В качестве прототипа выбрана композиция боразлагаемой пленки на основе пектина и хитозана [Патент РФ №2458077, МПК C08J 5/18, C08L 5/06, C08L 5/08, C08L1 01/16, з. 14.12.2010 г., оп. 10.08.2012 г. ], включающая пектин, хитозан (наполнители), воду, однонормальную соляную кислоту (растворитель хитозана), глицерин в качестве пластификатора и структурообразователь - трехпроцентный раствор метилцеллюлозы, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

пектин	35-37
хитозан	35-37
вода	7-8
однонормальная соляная кислота	7-8
глицерин	5-6
трехпроцентный раствор метилцеллюлозы	остальное

К недостаткам прототипа следует отнести дороговизну пектина (самый дешевый способ его получения из апельсиновой цедры, в которой содержание пектина составляет 2/3 части, кроме того, производство пектина ориентировано на другие отрасли промышленности, в частности на производство детского питания, комбикормов и т.п.) и трудности с промышленным производством хитозана (не освоено в Российской Федерации). Кроме того, для растворения хитозана используется соляная кислота, что создает дополнительные риски производства.

Задачей изобретения являлась разработка биоразлагаемой композиции из природного возобновляемого сырья, позволяющей изготавливать широкий спектр материалов и изделий с заданным сроком биодеструкции от нескольких секунд до нескольких суток.

Указанная задача решается биоразлагаемой композицией на основе возобновляемого сырья, полученной из наполнителя, воды и пластификаторов, в которой, согласно предложению, в качестве наполнителя использован крахмал, в качестве пластификатора использованы желатин и поливинилацетат, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

крахмал	5-35
желатин	25-70
поливинилацетат	5-10,4
вода	остальное

Дополнительно в качестве структурообразователя биоразлагаемая композиция может содержать натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы в количестве 5-15 мас. %.

Дополнительно биоразлагаемая композиция может содержать другие пластификаторы, в частности диметилсульфоксид в количестве не более 25 мас. %, карбамид и (или) глицерин в количестве не более 20 мас. %.

Задавая процентное соотношение компонентов и добавляя другие, возможно регулировать процесс водорастворимости, то есть первичную стадию биоразложения. Первичная стадия биоразложения дополняется вторичной: продукты распада становятся питательной средой для грибов рода trichoderma - самого распространенного вида грибов в почвах средних широт. Таким образом, можно изготавливать, например, пленки, которые растворяются в воде при нормальных условиях.

Далее представлены примеры биоразлагаемой композиции для производства упаковочной пленки.

Пример I

Масс. %:

Крахмал	8,9
Желатин	26,6
Карбамид	11,1
Поливинилацетат	8,9
Диметилсульфоксид	8,9
Глицерин	5,6
Вода	30

Изготовление пленки из биоразлагаемой композиции возможно любым известным способом. Например, следующим.

В емкость с половиной заданного количества воды добавляют крахмал, после чего начинается процесс набухания, время процесса определяется исходя из свойств (смачиваемости) крахмала. В емкость с другой половиной воды засыпают желатин, при этом также осуществляется процесс набухания (~3 часа). Далее проводят постепенный нагрев растворов до температуры

Пример IV. Для окрашивания пленок можно добавлять пищевые красители: Е160В, Е 160С, Е162, Е140, Е132 в количестве до 15 масс. %:

Крахмал – 8,3

Карбамид – 10

ПВА – 8,3

Желатин – 24,9

ДМСО – 4,2

Глицерин – 2,6

Натриевая соль

карбоксиметилцеллюлозы – 10

Пищевой краситель – 10

Вода – 21,7

Краситель Е160С – пленка красного цвета или аннато (Е160В) – пленка желтого цвета, хлорофилл (Е140) – зеленого цвета, индигокармин (Е 132) – синего цвета – в количестве до 5 масс. %, слабый окрас преимущественно как фоновый рисунок, в количестве 10 масс. % – хороший насыщенный цвет (для контуров рисунка), 15 масс. % – пленка уже непрозрачна ( для нанесения надписей).

Пример V

Масс.%:

Крахмал – 35

Желатин – 25

ПВА – 8,8

Глицерин – 4,6

Натриевая соль

карбоксиметилцеллюлозы – 5

Вода – 21,6

При увеличении содержания крахмала до 35 масс. % водорастворимость пленок увеличивается и составляет от нескольких секунд до 2 минут. Прочность увеличивается до 34 МПа, пластичность уменьшается до значения 1,4.

Пример VI

Масс.%:

Крахмал – 5

Желатин – 70

ПВА – 5

Натриевая соль

карбоксиметилцеллюлозы – 5

Вода – 15

	При увеличении содержания желатина до 70 масс. % пленка обладает хорошими физико-механическими свойствами: прочность = 30 МПа, относительное удлинение при разрыве = 1,5, величина напряженности электростатического поля = 3 кВ/м. Удельное поверхностное электрическое сопротивление ~ 10 в 7 степени (Ом), полупериод стекания заряда = 1,5секунды. Однако такая пленка характеризуется быстрой водорастворимостью до 10 минут.
Крахмал	10,4
Карбамид	13,1
Поливинилацетат	10,4
Желатин	31,4
Диметилсульфоксид	5,2
Глицерин	3,2
Вода	26,3

По сравнению с Примером I произошло уменьшение содержания глицерина и диметилсульфоксида в 2 раза. Предел прочности для этого образца уже 28 МПа, относительное удлинение при разрыве немного уступает, но является достаточно высоким - 1,75. Напряженность электростатического поля 2 кВ/м. Удельное поверхностное электрическое сопротивление порядка 10 в 7 степени. Полупериод стекания заряда - 1 секунда.

Пример III. Композиция повторяет композицию по Примеру II, но с добавлением натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), масс %:

Крахмал	9,2
Желатин	27,6
Карбамид	11,6
Поливинилацетат	9,2
Диметилсульфоксид	4,6
Глицерин	2,9
Натриевая соль
карбоксиметилцеллюлозы	11,6
Вода	23,3

При добавлении натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) в количестве от 10 масс. % прочность увеличится до 41 МПа, что является достаточно высоким показателем, сопоставимым уже с полистиролом (который используется для производства бутылей и стаканчиков для йогурта). При этом относительное удлинение при разрыве (пластичность) упадет до значения 1,3.

Следует также отметить, что изделия (пленки) могут окрашиваться, добавлением в композицию красителей, предпочтительно пищевых (для обеспечения безопасности в случае попадания изделия внутрь живого организма).

Пример IV. Для окрашивания пленок можно добавлять пищевые красители: Е160В, Е160С, Е162, Е140, Е132 в количестве до 15 масс. %:

Крахмал	8,3
Карбамид	10
Поливинилацетат	8,3
Желатин	24,9
Диметилсульфоксид	4,2
Глицерин	2,6
Натриевая соль
карбоксиметилцеллюлозы	10
Пищевой краситель	10
Вода	21,7

Краситель Е160С - пленка красного цвета или аннато (Е160В) - пленка желтого цвета, хлорофилл (Е140) - зеленого цвета, индигокармин (Е 132) - синего цвета - в количестве до 5 масс. %, слабый окрас преимущественно как фоновый рисунок, в количестве 10 масс. % - хороший насыщенный цвет (для контуров рисунка), 15 масс. % - пленка уже непрозрачна (для нанесения надписей).

Пример V

Масс. %:

Крахмал	35
Желатин	25
Поливинилацетат	8,8
Глицерин	4,6
Натриевая соль
карбоксиметилцеллюлозы	5
Вода	21,6

При увеличении содержания крахмала до 35 масс. % водорастворимость пленок увеличивается и составляет от нескольких секунд до 2 минут. Прочность увеличивается до 34 МПа, пластичность уменьшается до значения 1,4.

Пример VI

Масс. %:

Крахмал	5
Желатин	70
Поливинилацетат	5
Натриевая соль
карбоксиметилцеллюлозы	5
Вода	15

При увеличении содержания желатина до 70 масс. % пленка обладает хорошими физико-механическими свойствами: прочность = 30 МПа, относительное удлинение при разрыве = 1,5, величина напряженности электростатического поля = 3 кВ/м. Удельное поверхностное электрическое сопротивление ~10 в 7 степени (Ом), полупериод стекания заряда = 1,5 секунды. Однако такая пленка характеризуется быстрой водорастворимостью до 10 минут.

1. Биоразлагаемая композиция для получения пленки на основе возобновляемого сырья, полученная из наполнителя, воды и пластификаторов, отличающаяся тем, что в качестве наполнителя использован крахмал, в качестве пластификатора использованы желатин и поливинилацетат, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

крахмал	5-35
желатин	25-70
поливинилацетат	5-10,4
вода	остальное

2. Биоразлагаемая композиция по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит в качестве структурообразователя натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы в количестве 5-15 мас. %.

3. Биоразлагаемая композиция по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит в качестве пластификатора диметилсульфоксид в количестве не более 25 мас. %.

4. Биоразлагаемая композиция по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит в качестве пластификатора карбамид в количестве не более 20 мас. %.

5. Биоразлагаемая композиция по п. 3, отличающаяся тем, что дополнительно содержит в качестве пластификатора карбамид в количестве не более 20 мас. %.

6. Биоразлагаемая композиция по пп. 1, 2 или 5, отличающаяся тем, что дополнительно содержит в качестве пластификатора глицерин в количестве не более 20 мас. %.

7. Биоразлагаемая композиция по пп. 1, 2 или 5, отличающаяся тем, что дополнительно содержит пищевой краситель в количестве не более 15 мас. %.

8. Биоразлагаемая композиция по п. 6, отличающаяся тем, что дополнительно содержит пищевой краситель в количестве не более 15 мас. %.